金剛石，這種自然界中最堅(jiān)硬的物質(zhì)，因其獨(dú)特的物理和電學(xué)性能，在高功率電子器件領(lǐng)域引起了廣泛的關(guān)注。其優(yōu)異的寬帶隙、高擊穿場(chǎng)強(qiáng)度、高載流子遷移率、低介電常數(shù)以及高導(dǎo)熱系數(shù)等特性^[1,2]，使得金剛石在電子器件領(lǐng)域具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。

然而，如何在金剛石肖特基二極管中實(shí)現(xiàn)雙勢(shì)壘平面結(jié)構(gòu)，以降低正向偏置電壓和反向漏電流密度，從而滿(mǎn)足金剛石功率肖特基勢(shì)壘二極管（SBD）的應(yīng)用仍面臨著一些挑戰(zhàn)。

西安交通大學(xué)wang等^[3]人采用快速熱退火的方法制備了只有Ni肖特基接觸的雙勢(shì)壘平面（DBP）結(jié)構(gòu)金剛石肖特基勢(shì)壘二極管（SBDs）。首先在p-層上形成Ni/Au窄條紋圖案，在550?C下退火，以降低肖特基勢(shì)壘高度，形成低勢(shì)壘接觸。然后，在條紋之間的窗口區(qū)域沉積Ni/Au肖特基電極，作為高勢(shì)壘接觸。在p+金剛石襯底的背面形成了Ti/Pt/Au歐姆接觸。與單個(gè)高勢(shì)壘二極管相比，所制備的DBP結(jié)構(gòu)sbd具有較低的正向電壓下降，且反向泄漏電流密度比單個(gè)低勢(shì)壘二極管小2~3個(gè)數(shù)量級(jí)。研究了條紋面積比例對(duì)器件性能的影響，可以通過(guò)改變雙勢(shì)壘比來(lái)調(diào)節(jié)勢(shì)壘高度。這種新型器件結(jié)構(gòu)的小功耗為0.54 W/cm2，是一種很有前途的高功率金剛石二極管技術(shù)。

圖1 金剛石二極管DBP的制備工藝流程圖 

金剛石DBP結(jié)構(gòu)的制造工藝流程如圖1所示，（a）MPCVD外延生長(zhǎng)，（b) UV/O3處理獲得氧金剛石表面，（c）形成歐姆接觸（420℃@10min，Ar氣氛），（d）沉積鎳/金窄條紋，（e) RTA處理形成低勢(shì)壘接觸和第二UV/O₃處理補(bǔ)償氧原子的部分解吸，和（f）沉積鎳/金肖特基電極作為高勢(shì)壘接觸（550℃@30min，Ar氣氛）。

如圖2所示，Ni/金剛石肖特基二極管在退火處理后的J-V特性曲線(xiàn)顯示，其正向和反向電流水平均得到了顯著提升。具體而言，肖特基勢(shì)壘高度從原先的2.55V降低至了0.89V。這一變化再次證實(shí)了高溫條件下金屬與金剛石表面碳原子的反應(yīng)能夠降低肖特基勢(shì)壘高度?？紤]串聯(lián)電阻RS的L_as-dep-SBD和L_RTA-SBD的Nss的能量分布曲線(xiàn)如圖2右圖所示。我們可以觀察到，在RTP處理后，N_ss有顯著的降低。因此，Φ_B-CV和Φ_B-IV之間的差值的減小是由于退火后界面態(tài)密度的降低，這與報(bào)道的文獻(xiàn)^[4]一致。

圖2 Ni/Au-金剛石SBD在RTA處理前后的J-V特性，插圖是線(xiàn)性尺度的I-V圖；L_as-dep-SBD和L_RTA-SBD界面態(tài)密度的能量分布分布

另外，圖3展示了不同結(jié)構(gòu)金剛石肖特基二極管的正向和反向J-V特性曲線(xiàn)。從圖中可以看出，DBP結(jié)構(gòu)二極管與L_RTA-SBD在正向J-V特性上呈現(xiàn)出相似性，但在反向J-V特性上卻存在顯著差異。具體而言，DBP結(jié)構(gòu)二極管的反向漏電流較高，且其反向偏置行為并未完全展現(xiàn)出截止特性。這一現(xiàn)象可能與空間電荷區(qū)域的擴(kuò)展和摻雜濃度等因素相關(guān)。值得一提的是，盡管DBP結(jié)構(gòu)二極管的反向擊穿電壓與H-SBD相近，但其反向漏電流卻相對(duì)較高。

圖3 L_RTA-SBD、DBP1-SBD、DBP2-SBD和H-SBD的正反向J-V特征

快速退火爐中的高溫可以降低金剛石表面與金屬接觸的勢(shì)壘，從而降低肖特基勢(shì)壘高度，提高金剛石肖特基二極管的性能。這是因?yàn)楦邷乜梢源偈菇饘倥c金剛石表面的碳原子發(fā)生反應(yīng)，形成碳化物層，從而降低肖特基勢(shì)壘高度。

高穩(wěn)定性和高功率的diamond二極管器件具有的低正向偏置電壓和低反向漏電流密度也源于RTP快速退火爐的良好表現(xiàn)，RTP系列產(chǎn)品是武漢嘉儀通科技有限公司的核心產(chǎn)品，在薄膜材料制備及熱處理方面展現(xiàn)出諸多優(yōu)勢(shì)，形成鮮明的行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，為高質(zhì)量薄膜材料提供了快速升降溫、精準(zhǔn)控溫的高均勻性的高溫場(chǎng)和氣氛保護(hù)，具體表現(xiàn)在：

√ 快速升溫的高溫場(chǎng)能夠促進(jìn)金屬層/碳層的熱擴(kuò)散，獲得更低的接觸電阻，形成歐姆接觸；

√ 高溫條件有助于金屬與金剛石表面的碳原子發(fā)生反應(yīng)，形成了碳化物層，從而實(shí)現(xiàn)了勢(shì)壘的降低，形成低勢(shì)壘的肖特基接觸。

√ 氣氛填充有助于避免金屬電極或碳材料的高溫氧化，降低表面電阻率，或者不同流速的調(diào)控可以對(duì)反應(yīng)速率進(jìn)行細(xì)微控制。

此外，嘉儀通快速退火爐（RTP，Rapid Thermal Processing）產(chǎn)品，采用紅外輻射加熱及冷壁技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)薄膜材料的快速升溫和降溫，同時(shí)搭配超高精度的溫度控制系統(tǒng)，可達(dá)到極佳的溫場(chǎng)均勻性和穩(wěn)定性。

嘉儀通(JouleYacht)快速退火爐系列可處理1-12吋樣品，對(duì)材料的金屬合金化、快速熱處理、快速熱退火、快速熱氧化及快速熱氮化等研究和生產(chǎn)起到重要作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]Huang A Q. New unipolar switching power device figures of merit[J]. IEEE Electron Device Letters, 2004, 25(5): 298-301.

[2]Isberg J, Hammersberg J, Johansson E, et al. High carrier mobility in single-crystal plasma-deposited diamond[J]. Science, 2002, 297(5587): 1670-1672.

[3] Wang J, Zhao D, Shao G, et al. Fabrication of dual-barrier planar structure diamond Schottky diodes by rapid thermal annealing[J]. IEEE Transactions on Electron Devices, 2021, 68(3): 1176-1180.

[4]Gupta S K, Azam A, Akhtar J. Improved electrical parameters of vacuum annealed Ni/4H-SiC (0 0 0 1) Schottky barrier diode[J]. Physica B: Condensed Matter, 2011, 406(15-16): 3030-3035.